RECUBRIMIENTOS Y MATERIALES PARA HERRAMIENTAS DE CIERRE DE LATAS: EVALUACIÓN TRIBOLÓGICA Y DE RESISTENCIA A LA CORROSIÓN. J. I. Oñate (1), M. Brizuela (1), A. García-Luis (1), A. del Barrio (1), M.J. Jurado (1), P.J. Tubía (2) y L. Olaortua (2). RESUMEN: En este trabajo se presentan los resultados obtenidos con diversas opciones de recubrimiento producidos mediante PVD, CVD y Proyección Térmica sobre aceros y aleaciones utilizados en herramientas para cierre de latas. Se han realizado ensayos de desgaste en seco utilizando una máquina de bola sobre disco. Los mejores resultados de desgaste se obtienen en el caso de las capas de WC-Co-Cr, Tribaloy 800 y CrN. También se han llevado a cabo ensayos de corrosión acelerada (medición de resistencia a la polarización y a la corrosión localizada) en medios de escabeche y salmuera como líquidos de gobierno frecuentemente utilizados en conservas y que provocan fenómenos de corrosión en el utillaje y la maquinaria. En este caso se obtuvieron los mejores resultados para la capa de CrN depositada mediante PVD, mientras que el acero comúnmente empleado en las ruedas de cierre, el inoxidable martensítico AISI 440C, presentó la peor resistencia a la corrosión en los líquidos de gobierno ensayados. ABSTRACT: The results that were obtained with a range of coatings on steels and alloys used for the seaming of cans are presented in this work. Dry wear testing was performed under a ball-on-dic apparatus. The best tribological results were obtained for the thermal sprayed WC-Co-Cr and Tribaloy 800 coatings and the CrN deposited by PVD. Accelerated corrosion testing was also carried out using preserve liquids such as vinegar solutions and brine, commonly used in food canning and that cause corrosion problems in machinery, seaming rolls and chucks. In this case the best result was obtained for the CrN coating deposited by PVD, with the AISI 440 C showing the worst performance of all under these conditions. 1 Fundación INASMET. Paseo Mikeletegi 2. 20009 San Sebastián 2 Sommetrade. Parque Tecnológico de Zamudio - Edificio 301. 48170 Zamudio.
INTRODUCCIÓN. Los fabricantes de latas y en menor medida los conserveros se encuentran en procesos de innovación continua con el lanzamiento al mercado de nuevos diseños y formas de botes, más atractivos al consumidor y con menor utilización de espacio en las estanterías, y mayores resistencias mecánicas y químicas [1]. Por otra parte los estándares de control y las garantías de calidad en las latas destinadas al consumo son cada vez más altas, haciendo de la operación del cierre una operación crítica desde el punto de vista alimentario. Un cierre adecuado en las latas, con los condicionantes de nuevos diseños y materiales, es muy importante ya que impide la entrada de aire y microorganismos al interior, la potencial degradación del contenido y sus consecuentes efectos sobre la salud. Las máquinas de cierre de envases metálicos trabajan a su vez en condiciones más severas de operación, tales como mayores velocidades de cierre, lo que unido a la utilización de chapa delgada de doble reducción y TFS, incrementan las solicitaciones exigidas a los utillajes de cierre. Se producen fenómenos de desgaste en herramientas (ruedas o placas), que en combinación con el efecto de líquidos de gobierno corrosivos pueden ocasionar pérdidas de productividad. La Tabla I presenta a modo de ejemplo los defectos producidos durante el cierre de latas que son consecuencia directa del desgaste de las herramientas [2]. Tabla I: Incidencias en el cierre de latas, producto del desgaste en herramientas. Tipo de incidencia en el cierre Posible causa 1ª operación de cierre floja Perfil ranura de la 1ª operación con desgaste Abolladuras (parte lisa del cierre se extiende por debajo de la línea normal generalmente en el cierre Rueda de cierre de la 1ª operación desgastada. doble) Rebabas (similares a abolladuras, pero más afiladas y pequeñas) Perfil de la 1ª operación desgastada Cierre incompleto Mandril de cierre desgastado Pestaña del bote enmohecida (deformación de la pestaña, causando un gancho del cuerpo largo) Ranura inferior del mandril desgastado. Altura de cierre más allá del máximo Ruedas de cierre de la 1ª y 2ª operación desgastadas por encima del límite. Arrugas en el gancho de la tapa Gancho de la tapa largo Perfil de las ruedas de cierre de la 1ª y 2ª operación desgastadas. Avellanado poco profundo por un mandril desgastado o sucio. El medio de relleno, cobertura o líquido de gobierno son los ingredientes o productos que se adicionan a la conserva con el fin de proporcionarle mejor sabor, reducir el espacio libre y facilitar las condiciones de transmisión de calor. Algunos de estos líquidos pueden degradar las herramientas y elementos estructurales de 2
las máquinas, por esa razón los materiales más comúnmente aceptados son los aceros inoxidables. Los diferentes líquidos de gobierno que se pueden encontrar en el cerrado de conservas y su problemática se citan en la Tabla II: Tabla II: Líquidos de gobierno frecuentemente encontrados en el cierre de latas. Líquido de gobierno / conserva Salmueras Escabeches y Vinagretas * Salsas o pastas de tomate Aceites vegetales (oliva, soja, girasol, etc.) Almíbares Zumos Jugos (de pimientos, alcachofa, tomate natural...) Sin líquido de gobierno (cierre en seco) Observaciones Puede presentar problemas de corrosión Pueden presentar problemas de corrosión Pueden presentar problemas de corrosión La soja puede originar corrosión. Puede dar origen a abrasión La alcahofa puede originar corrosión En casos tales como cierre de latas de leche en polvo, frutos secos, etc. En las latas se introducen la conserva y el líquido de gobierno, añadiéndose en algunas ocasiones ácido cítrico (E-330), como antioxidante y para reducir el ph. En estos casos particulares existe una mayor problemática de corrosión sobre los útiles de cierre, ya que en una dosificación por rebose es ineludible el contacto de estos líquidos con herramientas y otros elementos de la maquinaria. Cuando existe un potencial problema de corrosión se hace imprescindible la utilización de ruedas y placas de cierre de materiales inoxidables y/o protegidos adicionalmente con capas o tratamientos superficiales resistentes al desgaste. En otros casos, la presencia de almíbares puede introducir una componente de abrasión en los útiles de cierre de las latas, por lo que aquí se recomendaría la utilización de materiales que ofrezcan una mayor resistencia al desgaste abrasivo. Por último, existen situaciones en las que no existe líquido de gobierno, cerrándose la lata en seco (por ej. leche en polvo, frutos secos, etc.) sin los problemas habituales de corrosión. En estos casos la elección de los materiales de las herramientas puede variarse, introduciendo aceros o recubrimientos con mayor resistencia al desgaste. Una elección correcta de materiales y sus procesos de recubrimiento se hace por tanto necesario y ayudaría considerablemente a la mejora del comportamiento y durabilidad de los utillajes de cierre. En la actualidad en este sector con frecuencia se utilizan aceros sin tener en cuenta las condiciones del cierre. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. Los materiales y capas seleccionadas para evaluación de su resistencia al desgaste y corrosión en las ruedas de cierre se resumen en la Tabla III. Para la preparación de las probetas de fricción y desgaste se mecanizaron discos de los materiales 3
señalados con dimensiones aprox. 45 mm diámetro x 5 mm espesor. Las probetas de acero, a excepción del acero inoxidable austenítico (AISI 304), fueron templadas y revenidas y posteriormente pulidas al acabado superficial de 0.02 µm Ra antes de proceder a su recubrimiento mediante la tecnología de PVD o CVD. En el caso de la Proyección Térmica (Ref. 8 y 9) no es necesario un pulido previo al recubrimiento. Tabla III: Combinaciones de materiales y capas objeto de estudio. Medio de Medio corrosivo Nº Material Capa (Proceso) desgaste Salmuera Escabeche Seco 1 Acero AISI 440C -- X X X 2 Acero M340 Böhler CrN (PVD) X X X 3 Acero M340 Böhler TiN (PVD) X X 4 Acero M390 Böhler CrN (PVD) X X 5 Acero M390 Böhler Multicapa TiN-TiC- TiCN (CVD) 6 Stellite 1 (Alacrite 505) -- X X 7 Acero AISI 304 Stellite 1 (PAT) X X 8 Acero AISI 420 Tribaloy 800 (Proyección Térmica) X X 9 Acero AISI 420 WC-Co-Cr (Proyección Térmica) X X 10 Acero AISI-D2 Tinalox TiAlN (PVD) X 11 Acero K-190 Böhler Tinalox TiAlN (PVD) X 12 Acero K-190 Böhler Multicapa TiN-TiC- TiCN (CVD) Los ensayos de fricción y desgaste se realizaron en un tribómetro Falex ISC 320 (ver Figura 1) con geometría de bola sobre disco. Las condiciones de los ensayos realizados en seco bajo humedad controlada fueron: material de la bola: carburo de tungsteno (WC); diámetro de la bola: 10 mm; velocidad lineal: 0.6 m/s; carga aplicada: 0,25 kg; duración del ensayo: 2 h; humedad relativa: 75 %. La presión de contacto que se ejerce bajo estas condiciones de ensayo es de 0.2577 GPa, suponiendo que el material del disco es AISI 440C (E=210 GPa, ν=0.3) y el WC para la bola (E=690 GPa, ν=0.19). Todos los ensayos se realizaron por triplicado. El volumen de desgaste en los discos se calculó por medio de un perfilómetro óptico UBM (Figura 2). El volumen de desgaste en las bolas se midió por medio de microscopía óptica convencional. Los ensayos de corrosión se realizaron mediante técnicas electroquímicas para obtener de forma comparativa la resistencia a la corrosión de los aceros recubiertos en 2 medios de corrosión comúnmente utilizados como líquidos de gobierno: salmuera y escabeche. Las probetas utilizadas fueron discos de 16 mm diámetro x 3 mm espesor de los materiales recubiertos, con el mismo proceso de fabricación que en el caso de ensayos de desgaste. Los medios corrosivos que se seleccionaron fueron salmuera y escabeche, con las composiciones: A) salmuera: disolución 4
acuosa de 15 g/l de cloruro sódico, 8 g/l ácido cítrico, y B) escabeche: disolución acuosa de: 100 g/l vinagre de 6º, 60 g/l cloruro sódico, 60 g/l de azúcar. Figura 1. Tribómetro Falex ISC 320. Figura 2. Perfilómetro óptico UBM. Se aplicaron dos técnicas de ensayo, primero, la medición de la resistencia a la polarización mediante la realización de un barrido potencio-dinámico en las proximidades de potencial de equilibrio de cada material en cada medio. Con esta técnica se determina la resistencia que opone el material a la transferencia de carga eléctrica, fenómeno inherente a todo proceso de corrosión en medio acuoso. Esta resistencia, expresada en ohmios x cm 2, es directamente proporcional a la velocidad de corrosión generalizada de un material en un medio corrosivo. Asimismo, estos valores son comparables entre sí siempre que el proceso de corrosión sea similar, lo cual se cumple cuando se trata de materiales de la misma naturaleza, en caso contrario se necesitaría estudiar el proceso de corrosión que se produce en cada caso para determinar la velocidad de corrosión. Segundo, la obtención de las curvas correspondientes a los respectivos barridos potencio-dinámicos en sentido anódico para comprobar la reacción del material cuando progresivamente se le va sometiendo a valores de potencial que fuerzan de forma creciente a la disolución (corrosión) del mismo. Estas curvas nos permiten ver si el material es susceptible de crear una capa pasiva que le permite ser sometido a incrementos de potencial anódico más agresivos sin que se traduzca en una mayor velocidad de disolución de éste. Este es el comportamiento típico de los aceros inoxidables en muchos medios corrosivos. A medida que se va incrementando el potencial anódico se llega a un valor al cual la capa pasiva no es estable y se rompe en una o varias pequeñas zonas produciéndose un rápido aumento de la densidad de corriente como consecuencia 5
del aumento de las reacciones de corrosión. El potencial al que se produce este crecimiento de la intensidad indica la mayor o menor susceptibilidad de un material a sufrir corrosión por picaduras o corrosión en intersticios. Figura 3: Equipamiento utilizado para medición de resistencia a corrosión mediante técnicas electro-químicas. Detalle de muestra y medio de corrosión a la derecha. RESULTADOS. En la Tabla IV se presenta la media aritmética de los datos obtenidos en los ensayos de fricción y desgaste realizados en seco. Los valores de resistencia a la polarización obtenidos oscilan desde 1600 x10 2 Ohmios x cm 2 del acero M340 + CrN en medio corrosivo de salmuera hasta 3 x 10 2 Ohmios x cm 2 del AISI 440C en escabeche, mejor y peor comportamiento respectivamente. En cuanto a las curvas de polarización potencio-dinámicas nos indican que la mayoría de las muestras presentan una capa pasiva bastante estable. En este sentido el mejor comportamiento es el del acero M340 + CrN en ambos medios y el acero M340 + TiN y acero M390 + CrN en salmuera, donde la capa pasiva se rompe a potenciales entre 750 y 1000 mv (VS/ECS). El peor comportamiento corresponde también al acero AISI 440C en ambos medios, en los que la capa pasiva es muy pequeña o inexistente. Este dato claramente demuestra que el acero más común en esta aplicación (el AISI 440C) no ofrece buena protección en medios corrosivos, llegando a degradarse con relativa facilidad en el perfil de cierre de las roldanas. Para una mejor interpretación de los resultados se ofrece una tabla de clasificación elaborada de forma cualitativa a partir de los valores numéricos y de la morfología de las curvas (ver Tabla V). 6
Tabla IV: Resultados más significativos de los ensayos de fricción y desgaste Material Velocidad desgaste (mm 3 /N m) Disco Bola µ medio AISI 440C 1,82 x 10-06 ± 4,69 x 10-07 1,05 x 10-06 ± 1,14 x 10-07 1,12 ± 0,05 M340 ISOPLAST + CrN (PVD) Inapreciable 5,06 x 10-08 ± 6,37 x 10-09 0,64 ± 0,06 M340 ISOPLAST + TiN (PVD) 2,63 x 10-06 ± 4,40 x 10-07 1,92 x 10-08 ± 7,32 x 10-09 0,93 ± 0,13 M390 ISOMATRIX + CrN (PVD) M304 INOX. +STELLITE1 (PAT) Inapreciable 7,81 x 10-08 ± 2,62 x 10-08 0,76 ± 0,18 1,09 x 10-04 ± 1,24 x 10-04 1,95 x 10-07 ± 1,04 x 10-07 1,32 ± 0,01 AISI 420 + TRIBALOY 800 9,14 x 10-07 ± 2,38 x 10-07 2,52 x 10-08 ± 3,21 x 10-09 0,20 ± 0,03 AISI 420 + WC-Co-Cr Inapreciable 1,0 x 10-08 ± 2,15 x 10-09 0,24 ± 0,15 AISI D2 + Tinalox (PVD) 5,45 x 10-06 ± 5,60 x 10-06 2,05 x 10-07 ± 8,91 x 10-08 1,48 ± 0,05 K190 ISOMATRIX + Tinalox (PVD) M390 ISOMATRIX + TiN-TiC- TiCN (CVD-F) K190 ISOMATRIX + TiN-TiC- TiCN (CVD) 2,88 x 10-06 ± 7,24 x 10-07 3,20 x 10-07 ± 1,40 x 10-07 1,25 ± 0,05 1,70 x 10-06 ± 4,03 x 10-07 5,12 x 10-08 ± 2,20 x 10-08 1,12 ± 0,04 1,92 x 10-06 ± 6,57 x 10-08 5,26 x 10-08 ± 1,45 x 10-08 1,22 ± 0,02 ALACRITE 505 3,06 x 10-06 ± 1,54 x 10-07 9,88 x 10-08 ± 1,41 x 10-08 1,42 ± 0,01 Material base Tabla V: Resultados ponderados de los ensayos de corrosión. Recubrimiento Medio corrosivo Resistencia corrosión picadura (localizada) Resistencia a la corrosión generalizada Ohmio x cm 2 Ranking (x10 2 ) Acero AISI 440C --- 1 6 5 Acero M340 Isoplast Capa de CrN (PVD) 8 1600 9 Acero M340 Isoplast Capa de TiN (PVD) 8 560 8 Acero M390 Isomatrix Capa de CrN (PVD) 8 150 7 Acero M390 Isomatrix Multicapa TiN-TiC-TiCN (CVD Bernex F) 7 150 7 Allacrite 505 --- Salmuera 7 1300 9 Acero inox. AISI 304 Recargue Stellite 1 (Plasma Arco Transf.) 4 1300 9 Acero AISI 420 Recubrimiento Tribaloy 800 (Proyección Térmica) 5 12 5 Acero AISI 420 Recubrimiento WC-Co-Cr (Proyección Térmica) 6 10 5 Acero AISI 440C Sin recubrimiento 1 3 4 Escabeche Acero M340 Isoplast Capa de CrN (PVD) 8 13 5 Nota: Ranking de 0 a 10, en donde 0: muy poco resistente a corrosión, 10: muy resistente a corrosión. CONCLUSIONES El material que presenta menor coeficiente rozamiento es el AISI 420 + Tribaloy 800, con un valor medio de fricción de 0,2. Dado que el coeficiente de 7
rozamiento es una propiedad del tribo-sistema, el dato tiene un valor limitado, ya que condiciones de desgaste diferentes pueden conducir a otro resultado. El acero inoxidable martensítico AISI 420 con la capa de WC-Co-Cr proyectada térmicamente presenta también un coeficiente de fricción muy bajo 0.24. Además en el caso de este material, el desgaste en el disco fue inapreciable y en la bola muy bajo. Por lo tanto, esta opción de recubrimiento mediante proyección térmica es una candidata para las ruedas de cierre de latas. Las dos capas proyectadas térmicamente (WC-Co y Tribaloy 800) tienen además de un bajo coeficiente de fricción, una gran resistencia al desgaste. A continuación el material con mejor comportamiento es la capa de CrN depositada por PVD en los dos aceros (M340, M390), con un coeficiente de fricción medio de 0.64 y 0.76 en cada caso. Además el desgaste en los discos fue inapreciable y muy bajo en el caso de las bolas. El recubrimiento de Stellite 1 aplicado por Plasma de Arco Transferido (PAT) produjo los peores resultados, con un coeficiente de fricción medio muy alto y velocidad media de desgaste en disco dos órdenes de magnitud mayor que en el resto de los casos. El resto de las opciones de recubrimiento, inclusive el Stellite 1 másico (Alacrite 505), producido por fundición centrifugada, dieron valores de desgaste similares al del acero AISI 440 C sin ningún recubrimiento. El acero AISI 440C sin recubrimiento alguno presenta los peores resultados de corrosión (combinados, de corrosión por picadura y corrosión generalizada) en cualquiera de los dos líquidos de gobierno corrosivos. La mejor protección frente a la corrosión en ambos medios la proporciona la capa de nitruro de cromo (CrN) depositada mediante PVD. El TiN y Stellite 1 másico (Alacrite 505) también proporcionan una buena resistencia a la corrosión combinada. RECONOCIMIENTOS Los autores agradecen la financiación de este trabajo por el Dpto. de Industria del Gobierno Vasco, a través del Programa INTEK. REFERENCIAS 1. A. Zarraoa, A. Bilbao, A. Bizkarguenaga, J. Ariño, F. Jonker, H. Kwakkel. Le Carré: computer simulation to develop a new can concept. 5 th Int. Conf. On Computational Methods in Contact Mechanics. Seville, 18-20 June 2001. 2. A. Bizkarguenaga, J. Ariño, G. Jaio. Non-round can seaming systems. 1 st World Seaming Conference. Houston Texas (USA), February 1999. 8